JP2022012109A - Stabilization method and stabilization device for alkali metal - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施形態はアルカリ金属の安定化方法、及びアルカリ金属の安定化装置に関する。 Embodiments of the present invention relate to a method for stabilizing an alkali metal and a device for stabilizing the alkali metal.
ナトリウム冷却高速炉では、冷却材として金属ナトリウムやナトリウムカリウム合金が用いられる。これらの金属は熱中性子吸収断面積が小さい、熱伝導性が高く除熱性能が高い等のメリットがあるが、酸素や水と激しく反応して発火または爆発する恐れがあるデメリットもある。これらの金属は、炉心冷却のために溶融した状態でループ内を移動するので、金属配管、バルブ、ストレーナ、タンク等のループ内の様々な機器に接触する。 In a sodium-cooled fast reactor, metallic sodium or sodium-potassium alloy is used as a coolant. These metals have advantages such as a small thermal neutron absorption cross section, high thermal conductivity, and high heat removal performance, but also have disadvantages that they may ignite or explode by violently reacting with oxygen or water. Since these metals move in the loop in a molten state for core cooling, they come into contact with various devices in the loop such as metal pipes, valves, strainers, and tanks.
一方、ナトリウム冷却高速炉を廃炉にする際は、ループ内に残った金属ナトリウムを取り出す必要があり、溶融金属ナトリウムをドレンラインから排出することが行われる。この操作により、大部分の金属ナトリウムをループ外に排出可能であるが、一部の金属ナトリウムは配管の内表面や機器の隙間などに残留する。ループ内に残留した金属ナトリウムは、配管や機器の切断または解体時に発熱もしくは発火する可能性がある。このため、ループ内に湿り炭酸ガスや湿り窒素ガスを導入し、金属ナトリウムを比較的安定で取り扱いがしやすい水酸化ナトリウム、炭酸ナトリウム、炭酸水素ナトリウムに転換することが行われる。 On the other hand, when the sodium-cooled fast reactor is decommissioned, it is necessary to take out the metallic sodium remaining in the loop, and the molten metallic sodium is discharged from the drain line. By this operation, most of the metallic sodium can be discharged out of the loop, but some of the metallic sodium remains on the inner surface of the pipe or in the gap of the device. The metallic sodium remaining in the loop may generate heat or ignite when the piping or equipment is cut or disassembled. Therefore, wet carbonic acid gas or wet nitrogen gas is introduced into the loop to convert metallic sodium into sodium hydroxide, sodium carbonate, or sodium hydrogencarbonate, which are relatively stable and easy to handle.
湿り炭酸ガスの場合:2Na+2H2O+2CO2→2NaHCO3+H2
:2Na+H2O+CO2→Na2CO3+H2
湿り窒素ガスの場合:2Na+2H2O→2NaOH+H2
For wet carbon dioxide: 2Na + 2H 2 O + 2CO 2 → 2NaHCO 3 + H 2
: 2Na + H 2 O + CO 2 → Na 2 CO 3 + H 2
For wet nitrogen gas: 2Na + 2H 2 O → 2 NaOH + H 2
図7に示すように、湿り炭酸ガス102により金属ナトリウム101を比較的安定なナトリウム炭酸塩に転換する反応は既に行われており、報告もされている。本反応は、最初期では金属ナトリウム101と湿り炭酸ガス102とが直接触れるため反応が進行するが、反応が進行するにつれて、生成した炭酸ナトリウムまたは炭酸水素ナトリウムからなる生成物層103を介して金属ナトリウム101と湿り炭酸ガス102とが反応することになるため、反応速度が低下してしまうという課題がある。
As shown in FIG. 7, the reaction of converting
非特許文献1には、湿り炭酸ガス(相対湿度40~80%RH)を、金属ナトリウムが付着した機器に導入し、処理開始2日目で、厚さ2~3mmの白色生成物が得られたと報告されている。また、非特許文献2には、CO2濃度が95vol%以上で且つ相対湿度が39~98%RHの湿り炭酸ガスを用いて、室温で金属ナトリウムの安定化処理を行ったところ、この安定化処理の進行に伴い、金属ナトリウムと湿り炭酸ガスとの反応速度が低下する傾向があることが報告されている。
In
本発明の実施形態は、上述の事情を考慮してなされたものであり、機器または配管の内部に付着したアルカリ金属と湿り炭酸ガスとの反応速度を、湿り炭酸ガスの供給初期から低下させることなく保持させて、アルカリ金属の安定化処理を実施できるアルカリ金属の安定化方法及び安定化装置を提供することを目的とする。 The embodiment of the present invention has been made in consideration of the above circumstances, and reduces the reaction rate between the alkali metal adhering to the inside of the device or the pipe and the wet carbon dioxide gas from the initial supply of the wet carbon dioxide gas. It is an object of the present invention to provide an alkali metal stabilizing method and a stabilizing device capable of carrying out a stabilizing treatment for an alkali metal while retaining the carbon dioxide.
本発明の実施形態におけるアルカリ金属の安定化方法は、アルカリ金属が内部に付着した機器または配管を、この機器または配管の外部に配置された加熱装置により40℃以上に加熱し、更に加熱した湿り炭酸ガスを前記機器または前記配管の内部に供給することで、前記アルカリ金属を炭酸水素塩に転換させた後に、この炭酸水素塩を炭酸塩に熱分解させることを特徴とするものである。 In the method for stabilizing an alkali metal in the embodiment of the present invention, a device or a pipe to which the alkali metal is adhered is heated to 40 ° C. or higher by a heating device arranged outside the device or the pipe, and further heated and moistened. It is characterized in that, by supplying a carbon dioxide gas to the inside of the device or the pipe, the alkali metal is converted into a hydrogen carbonate, and then the hydrogen carbonate is thermally decomposed into a carbonate.
また、本発明の実施形態におけるアルカリ金属の安定化装置は、機器または配管の外部に配置され、前記機器または前記配管の内部に付着したアルカリ金属を40℃以上に加熱する加熱装置と、前記機器または前記配管の内部に、加熱した湿り炭酸ガスを供給するガス供給系と、を有し、前記加熱装置にて40℃以上に加熱した前記アルカリ金属に、前記ガス供給系から加熱した湿り炭酸ガスを供給することで、前記アルカリ金属を炭酸水素塩に転換した後に、この炭酸水素塩を炭酸塩に熱分解するよう構成されたことを特徴とするものである。 Further, the alkali metal stabilizing device according to the embodiment of the present invention is a heating device which is arranged outside the device or the pipe and heats the alkali metal adhering to the inside of the device or the pipe to 40 ° C. or higher, and the device. Alternatively, the inside of the pipe has a gas supply system for supplying heated wet carbon dioxide gas, and the alkali metal heated to 40 ° C. or higher by the heating device is heated from the gas supply system. The alkali metal is converted into a hydrogen carbonate, and then the hydrogen carbonate is thermally decomposed into a carbonate.
本発明の実施形態によれば、機器または配管の内部に付着したアルカリ金属と湿り炭酸ガスとの反応速度を、湿り炭酸ガスの供給初期から低下させることなく保持させて、アルカリ金属の安定化処理を実施できる。 According to the embodiment of the present invention, the reaction rate between the alkali metal adhering to the inside of the device or the pipe and the wet carbon dioxide gas is maintained without being lowered from the initial supply of the wet carbon dioxide gas, and the alkali metal stabilization treatment is performed. Can be carried out.
以下、本発明を実施するための形態を、図面に基づき説明する。
図1は、本実施形態に係るアルカリ金属の安定化方法を実施するアルカリ金属の安定化装置を概略して示す構成図である。このアルカリ金属の安定化装置10は、アルカリ金属としての例えば金属ナトリウム1を湿り炭酸ガス2と反応させて、比較的安定で取り扱いの容易な炭酸ナトリウム(Na2CO3)及び炭酸水素ナトリウム(NaHCO3)に転換させるものであり、加熱装置11及びガス供給系12を有して構成される。
Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a configuration diagram schematically showing an alkali metal stabilizing device that implements the alkali metal stabilizing method according to the present embodiment. In this alkali
ここで、アルカリ金属としては、ナトリウムのほか、リチウム、カリウム、ルビジウム、セシウムであってもよく、またはこれらの金属の組み合わせたもの(例えばナトリウムカリウム合金)であってもよい。また、アルカリ金属の安定化装置10が処理対象とする金属ナトリウム1は、例えばナトリウム冷却高速炉における金属容器を含む機器または配管、図1では配管15の内部(例えば内面)に付着して残留したものである。
Here, the alkali metal may be lithium, potassium, rubidium, cesium, or a combination of these metals (for example, a sodium-potassium alloy), in addition to sodium. Further, the
加熱装置11は、機器または配管(例えば配管15)のを外部に接して配置されて、この機器または配管(例えば配管15)の内部(例えば内面)に付着した金属ナトリウム1を40℃以上に加熱する。この加熱装置11は、上記金属ナトリウム1を加熱すると共に、この金属ナトリウム1が転換されて生成された炭酸水素ナトリウム及び炭酸ナトリウムからなる生成物層3(図2)を加熱する。また、加熱装置11は、機器または配管(例えば配管15)内の金属ナトリウム1を溶融させるために上記高速炉に設置された既存の加熱装置であってもよいが、新たに設置された加熱装置であってもよい。
The
ガス供給系12は、機器または配管(例えば配管15)の内部に、加熱した湿り炭酸ガス2を供給するものであり、濃度・湿度調整器13及びガス加熱設備14を有して構成される。
The
濃度・湿度調整器13は、まず、炭酸ガスの濃度を調整する。つまり、濃度・湿度調整器13は、炭酸ガス(CO2)のみを用いて炭酸ガス濃度を100vol%にするほか、炭酸ガスに不活性ガス(例えばArガス)を混合し、混合ガスとして炭酸ガス濃度を調整する。この炭酸ガス濃度は、0.04vol%以上が好ましい。濃度・湿度調整器13は、更に、濃度が調整された炭酸ガスに水蒸気を付加して湿り炭酸ガス2とする。従って、湿り炭酸ガス2は、炭酸ガスと水蒸気とからなるガス(気体)である。
The concentration /
ガス加熱設備14は、濃度・湿度調整器13により炭酸ガス濃度及び湿度が調整された湿り炭酸ガス2を、機器または配管(例えば配管15)へ供給する前に加熱するものである。このガス加熱設備14により加熱される湿り炭酸ガス2の加熱温度は、加熱装置11による機器または配管(例えば配管15)の加熱温度に対応した温度(例えば略一致した温度)に設定され、40℃以上の温度である。
The
本実施形態のアルカリ金属の安定化方法は、上述のようにして濃度・湿度調整器13により炭酸ガス濃度及び湿度が調整されると共にガス加熱設備14により加熱された湿り炭酸ガス2を、加熱装置11により40℃以上に加熱された機器または配管(例えば配管15)内に供給することで、機器または配管(例えば配管15)の内部(例えば内面)に付着した金属ナトリウム1を炭酸水素塩である炭酸水素ナトリウム(NaHCO3)に転換し、その後この炭酸水素ナトリウムを炭酸塩である炭酸ナトリウム(Na2CO3)に熱分解する。
In the method for stabilizing the alkali metal of the present embodiment, the wet
加熱装置11及びガス加熱設備14により炭酸水素ナトリウムが炭酸ナトリウムに熱分解する際に炭酸ガス(CO2)が発生し、この炭酸ガスが、炭酸水素ナトリウム及び炭酸ナトリウムからなる生成物層3を膨張させて、この生成物層3に空隙を形成する。ガス供給系12からの湿り炭酸ガス2が生成物層3内の空隙内を通過することで、この湿り炭酸ガス2と金属ナトリウム1との接触が促進されて、金属ナトリウム1と湿り炭酸ガス2との反応速度が上昇する。
When sodium hydrogen carbonate is thermally decomposed into sodium carbonate by the
上述の炭酸水素ナトリウムの熱分解により炭酸ガスが発生する熱分解反応は、
2NaHCO3 →Na2CO3+H2O+CO2 …(1)
と表記される。この熱分解反応式(1)からも分かるように、ガス供給系12から供給される湿り炭酸ガス2の炭酸ガス濃度が低いほど、上記熱分解反応式の平衡反応が右に傾いて炭酸水素ナトリウムの熱分解が促進され、炭酸ガス(CO2)の発生量が増加して生成物層3が膨張し、この生成物層3中に多数の空隙が生ずる。
The above-mentioned pyrolysis reaction in which carbon dioxide gas is generated by the thermal decomposition of sodium hydrogen carbonate is
2NaHCO 3 → Na 2CO 3 + H 2 O + CO 2 … ( 1 )
It is written as. As can be seen from this thermal decomposition reaction formula (1), the lower the carbon dioxide gas concentration of the wet
図3に示すように、金属ナトリウム1をガラスシャーレ16に充填し、絶対湿度12.5g/m3の湿り炭酸ガス2を用い、ガラスシャーレ16の内部及び周囲と湿り炭酸ガス2の温度を25℃、40℃、60℃としてそれぞれ金属ナトリウムの安定化処理試験を行った。図3(A)に示す25℃で処理したサンプルでは、図4にも示すように、生成物層3の厚さTaが2.4mmであり、生成物層3に膨張を確認できなかった。
As shown in FIG. 3, a
図3(B)に示す40℃で処理したサンプルでは、図4にも示すように、生成物層3の厚さTbが3.7mmとなり、生成物層3に膨張による浮き上がりを確認できた。また、図3(C)に示す60℃で処理したサンプルでは、図4にも示すように、生成物層3の厚さTcが9.8mmとなり、生成物層3の膨張が促進されてこの膨張による浮き上がりが顕著になっていることが分かった。
In the sample treated at 40 ° C. shown in FIG. 3 (B), as shown in FIG. 4, the thickness Tb of the
図3における各金属ナトリウムの安定化処理試験における金属ナトリウム1の深さ方向の平均処理速度は、8時間後において、25℃では0.19mm/h、40℃では0.21mm/h、60℃では0.39mm/hとなり、生成物層3の膨張に伴い処理速度が上昇していることを確認できた。
The average treatment rate of
図5に示すように、金属ナトリウム1をガラスシャーレ16に充填し、この金属ナトリウム1の内部及び周囲温度を40℃とし、絶対湿度29g/m3で且つ温度40℃の湿り炭酸ガス2を用い、この湿り炭酸ガス2の炭酸ガス濃度を100vol%、80vol%、10vol%として、それぞれ金属ナトリウム1の安定化処理試験を行った。
As shown in FIG. 5, a
図5(A)に示すように、湿り炭酸ガス2の炭酸ガス濃度が100vol%で金属ナトリウム1の安定化処理を行った場合の生成物層3の膨張量(生成物層3の厚さLaが5mm)に比べ、図5(B)及び(C)に示すように、湿り炭酸ガス2の炭酸ガス濃度が低くなるほど生成物層3の膨張度合いが増加していることを確認できた。即ち、炭酸ガス濃度が80vol%、10vol%のそれぞれで金属ナトリウム1の安定化処理を行った場合の生成物層3の膨張量(生成物層3の厚さ)は、図6に示すように、80vol%の場合に生成物層3の厚さLbが11.6mmであり、10vol%の場合の生成物層3の厚さLcが15.3mmであった。これは、湿り炭酸ガス2の炭酸ガス濃度が低いほど、式(1)に示す炭酸水素ナトリウムの熱分解反応が促進されるからである。
As shown in FIG. 5A, the amount of expansion of the product layer 3 (thickness La of the product layer 3) when the
図5における各金属ナトリウムの安定化処理試験における金属ナトリウム1の深さ方向の平均処理速度は、8時間後において、炭酸ガス濃度100vol%では0.27mm/h、80vol%では0.40mm/h、10vol%では0.66mm/hとなり、生成物層3の膨張に伴い処理速度が上昇していることを確認できた。
The average treatment rate of
以上のように構成されたことから、本実施形態によれば、次の効果を奏する。
金属ナトリウム1が内部に付着した配管15を加熱装置11により40℃以上に加熱した状態で、配管15の内部にガス供給系12から加熱した湿り炭酸ガス2を供給することで、配管15内に付着した金属ナトリウム1を炭酸水素ナトリウムに転換した後に、この炭酸水素ナトリウムを炭酸ナトリウムに積極的に熱分解している。この炭酸水素ナトリウムが炭酸ナトリウムに熱分解する際に発生する炭酸ガスによって、炭酸ナトリウム及び炭酸水素ナトリウムからなる生成物層3が膨張し、この生成物層3中に空隙が生ずる。この空隙内を湿り炭酸ガス2が通過することで、湿り炭酸ガス2と金属ナトリウム1との接触が促進される。従って、配管15の内部に付着した金属ナトリウム1と湿り炭酸ガス2との反応速度を、湿り炭酸ガス2の供給初期から低下させることなく保持させて、金属ナトリウム1の安定化処理を実施できる。
Since it is configured as described above, according to the present embodiment, the following effects are obtained.
In a state where the
以上、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができ、また、それらの置き換えや変更は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 Although the embodiment of the present invention has been described above, this embodiment is presented as an example and is not intended to limit the scope of the invention. This embodiment can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the gist of the invention, and the replacements and changes thereof can be made. , It is included in the scope and gist of the invention, and is also included in the scope of the invention described in the claims and the equivalent scope thereof.
1…金属ナトリウム、2…湿り炭酸ガス、3…生成物層、10…アルカリ金属の安定化装置、11…加熱装置、12…ガス供給系、13…濃度・湿度調整器、14…ガス加熱設備 1 ... Metallic sodium, 2 ... Wet carbon dioxide gas, 3 ... Product layer, 10 ... Alkali metal stabilizer, 11 ... Heating device, 12 ... Gas supply system, 13 ... Concentration / humidity regulator, 14 ... Gas heating equipment
Claims (5)
前記アルカリ金属を炭酸水素塩に転換させた後に、この炭酸水素塩を炭酸塩に熱分解させることを特徴とするアルカリ金属の安定化方法。 A device or pipe with alkali metal attached to the inside is heated to 40 ° C or higher by a heating device arranged outside the device or pipe, and further heated moist carbon dioxide gas is supplied to the inside of the device or the pipe. and,
A method for stabilizing an alkali metal, which comprises converting the alkali metal into a hydrogen carbonate and then thermally decomposing the hydrogen carbonate into a carbonate.
前記機器または前記配管の内部に、加熱した湿り炭酸ガスを供給するガス供給系と、を有し、
前記加熱装置にて40℃以上に加熱した前記アルカリ金属に、前記ガス供給系から加熱した湿り炭酸ガスを供給することで、前記アルカリ金属を炭酸水素塩に転換した後に、この炭酸水素塩を炭酸塩に熱分解するよう構成されたことを特徴とするアルカリ金属の安定化装置。 A heating device that is placed outside the equipment or piping and heats the alkali metal adhering to the inside of the equipment or piping to 40 ° C or higher.
A gas supply system for supplying heated moist carbon dioxide gas is provided inside the device or the piping.
By supplying the wet carbon dioxide gas heated from the gas supply system to the alkali metal heated to 40 ° C. or higher by the heating device, the alkali metal is converted into hydrogen carbonate, and then the hydrogen carbonate is carbonated. An alkali metal stabilizer characterized by being configured to thermally decompose into salts.
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